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UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL PROJETO DE CONCLUSÃO DE CURSO I APLICAÇÃO DO MÉTODO DO PONTO MATERIAL PARA A MODELAGEM COMPUTACIONAL DE UM DESLIZAMENTO DE TALUDE ALUNA: PAULA THULER PIMENTEL MATRÍCULA: 111.37.050 Niterói, RJ 2018

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UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE

ESCOLA DE ENGENHARIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

PROJETO DE CONCLUSÃO DE CURSO I

APLICAÇÃO DO MÉTODO DO PONTO MATERIAL PARA A MODELA GEM

COMPUTACIONAL DE UM DESLIZAMENTO DE TALUDE

ALUNA: PAULA THULER PIMENTEL

MATRÍCULA: 111.37.050

Niterói, RJ

2018

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Paula Thuler Pimentel

APLICAÇÃO DO MÉTODO DO PONTO MATERIAL PARA A MODELA GEM

COMPUTACIONAL DE UM DESLIZAMENTO DE TALUDE

Trabalho apresentado ao Curso de Engenharia Civil da

Universidade Federal Fluminense, como requisito

parcial para obtenção do grau de Engenheira Civil.

Orientador:

Professor Gabriel De Carvalho Nascimento, D.Sc.

Niterói, RJ

2018

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Ficha Catalográfica elaborada pela Biblioteca da Escola de Engenharia e do Instituto de Computação da UFF

P644 Pimentel, Paula Thuler

Aplicação do método do ponto material para a modelagem

computacional de um deslizamento de talude / Paula Thuler

Pimentel. – Niterói, RJ : [s.n.], 2017.

44 f.

Projeto Final (Bacharelado em Engenharia Civil) – Universidade

Federal Fluminense, 2017.

Orientador: Gabriel de Carvalho Nascimento.

1. Talude (Mecânica do solo). 2. Modelagem computacional. 3.

Análise de risco. 4. Solo. 5. Encosta. I. Título.

CDD 624.1513

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RESUMO

Deslizamentos de encostas são fenômenos recorrentes em diversas regiões do planeta

e causam enormes transtornos, prejuízos materiais e vítimas fatais. Com o objetivo de mitigar

tais consequências, é importante que seja feita a previsão destes eventos e sua análise de risco.

O presente trabalho se trata do estudo do Método do Ponto Material (MPM), suas

características, formulações e aplicabilidade. O MPM permite a modelagem de grandes

deformações, além da interação entre materiais complexos. O método é composto por uma

malha de fundo, que realiza os cálculos; e por pontos materiais que compõem o domínio e

carregam todas as informações, parâmetros e resultados. Como objeto da modelagem

computacional, tomou-se um caso de deslizamento de talude, e a modelagem foi executada

utilizando-se o código NairnMPM. A pesquisa realizada mostra que o MPM é um método

promissor no campo de estudos e análises geotécnicas.

Palavras-chave: Método do Ponto Material, MPM, NairnMPM, Deslizamento de Encosta,

Modelagem Computacional

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ABSTRACT

Landslides are recurrent events worldwide and cause enormous disarrays, material

losses and fatalities. In order to mitigate such consequences, it is important to forecast these

events and perform their risk analysis. This paper deals with the study of the Material Point

Method (MPM), its characteristics, formulations and applicability. The MPM allows

modeling large deformations, as well as the interaction between complex materials. The

method is composed of a background mesh that performs the calculations, and of material

points that compose the domain and carry all information, parameters and results. A landslide

was taken as the object of the computational modeling, which was performed using the

NairnMPM code. The research shows that MPM is a promising method in the field of

geotechnical studies and analysis.

Key words: Material Point Method, MPM, NairnMPM, Landslide, Computational Modeling

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Deslizamento de encostas na tragédia de 2011....................................................... 13

Figura 2 - Escorregamentos em Jardinlândia .......................................................................... 14

Figura 3 - Obtenção da envoltória de resistência de Mohr-Coulomb tangente aos círculos de

Mohr na ruptura ........................................................................................................................ 21

Figura 4 - Ciclo computacional do MPM: (a) Um conjunto de pontos materiais representando

o material, sobre a malha de fundo. Propriedades dos materiais, modelos constitutivos e outras

informações de estado estão armazenados somente nos pontos materiais. A informação é

transferida para os nós da malha de fundo, para os cálculos computacionais. (b) As equações

de movimento são resolvidas na malha de fundo, utilizando o MEF lagrangeano atualizado.

(c) O estado dos pontos materiais é atualizado, e a malha de fundo é resetada. ...................... 24

Figura 5 - Blocos de rocha na meia encosta ............................................................................ 26

Figura 6 - Trincas no terreno ................................................................................................... 27

Figura 7 - Seção geológico-geotécnica analisada .................................................................... 28

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Parâmetros do solo utilizados na análise ................................................................ 28

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LISTA DE QUADROS

Quadro 1 - Resultados da Simulação ...................................................................................... 30

Quadro 2- Resultados da Simulação ....................................................................................... 31

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LISTA DE ABREVIATURAS

MPM Método do Ponto Material

MEF Método dos Elementos Finitos

GIMP General Interpolation Material Point

CFL Courant-Friedrichs-Lewy

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LISTA DE SÍMBOLOS

τ Tensão cisalhante no plano de ruptura

σ' Tensão normal efetiva no plano de ruptura

c Coesão efetiva, intercepto da envoltória no eixo das ordenadas

φ Ângulo de atrito efetivo, ângulo de inclinação da envoltória

Sip Função de forma

Gip Gradiente da função de forma

i nó

p partícula

Ωp Domínio da partícula p

χp(x) Função característica da partícula para a partícula p

Ni(x) Função de forma da malha para o nó i

δ(x) Função delta de Dirac

Δt Intervalo de tempo

Δx Menor dimensão das células da malha de fundo

v Máxima velocidade de onda no material

C Número de Courant

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SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................... 13

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ........................................................................................... 16

2.1 Método do Ponto Material (MPM) ..................................................................................... 16

2.2 Deslizamento de Encostas .................................................................................................. 19

3 METODOLOGIA ................................................................................................................ 23

3.1 Funções de Forma ............................................................................................................... 23

3.2 Atualizações de tensões e deformações .............................................................................. 24

3.3 Intervalo de tempo .............................................................................................................. 25

4 SIMULAÇÃO ...................................................................................................................... 26

4.1 Descrição do problema ....................................................................................................... 26

4.2 Geometria e propriedades do solo ...................................................................................... 28

4.3 Modelagem ......................................................................................................................... 29

4.4 Resultados ........................................................................................................................... 30

5 CONCLUSÕES .................................................................................................................... 32

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 33

APÊNDICE A ......................................................................................................................... 35

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1 INTRODUÇÃO

Os deslizamentos de encostas em regiões habitadas são cada vez mais frequentes, visto

que a ocupação desordenada e a falta de planejamento urbano resultam em acidentes com

grande número de vítimas no mundo todo.

Atualmente, não são raras as notícias de ocorrências destes fenômenos, principalmente

devido a grandes volumes de chuvas, concentrados em curtos períodos de tempo. Como

exemplo disto, tem-se a tragédia ocorrida na Região Serrana do Estado do Rio de Janeiro,

dada no início do ano de 2011.

Figura 1 - Deslizamento de encostas na tragédia de 2011

Fonte: Portal de Notícias do G1 (g1.globo.com)

Considerado como o maior desastre climático da história do Brasil, a catástrofe deixou

centenas de vítimas fatais, além de milhares de desabrigados e uma grande crise econômica

advinda da destruição das cidades da região.

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Na cidade de Nova Friburgo, dentre as dezenas de deslizamentos ocorridos em toda a

área do município, destaca-se o deslizamento em Jardinlândia, utilizado como objeto da

simulação executada no presente trabalho a partir de recursos para modelagem

computacional, com o uso do Método do Ponto Material (MPM).

Figura 2 - Escorregamentos em Jardinlândia

Fonte: Muniz & Spada (2015)

O solo é um material heterogêneo de difícil análise, que hora se comporta como sólido

e hora se comporta como fluido. Com o objetivo de estudar a evolução dinâmica do

deslizamento de encostas, é necessário um método que seja capaz de modelar os complexos

comportamentos do material, assim como grandes deformações.

O MPM, método que combina uma malha euleriana com uma descrição lagrangeana

de pontos materiais utilizado para a resolução de equações, permite que tal análise seja

realizada com uma maior precisão do que outros métodos já consagrados, como, por exemplo,

o Método dos Elementos Finitos (MEF).

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Com o aumento do grau de saturação do solo devido à forte intensidade da

precipitação, ocorre uma alteração no equilíbrio de tensões e na fluidez do solo, causando as

rupturas que levam ao deslizamento.

Com base no relatório da memória de cálculo das obras de contenção de encostas

executadas na região afetada, foi escolhida a seção a ser analisada e tomados os parâmetros do

solo local. A partir do perfil geológico-geotécnico, foi possível modelar a região rochosa e a

região composta por solo, que vem a deslizar.

A modelagem foi feita com o uso do código NairnMPM, que permitiu os cálculos dos

parâmetros das partículas de solo durante o movimento de massa e a visualização dos

resultados da modelagem do deslizamento.

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2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 Método do Ponto Material (MPM)

As variáveis de estado de um meio contínuo em movimento podem ser descritas por

duas abordagens, a lagrangeana e a euleriana. Na abordagem lagrangeana, as variáveis de

estado são expressas a partir das coordenadas da partícula, adotando-se um referencial

espacial fixo (x,y,z) e o tempo t, seguindo-se então a partícula em sua trajetória. Esta descrição

é comumente utilizada em mecânica dos sólidos. Já na abordagem euleriana, define-se uma

posição fixa e, a partir dela, observam-se as modificações sofridas pelas variáveis de estado

ao longo do tempo. Tal descrição é utilizada em mecânica dos fluidos (LLANO SERNA,

2012).

O Método dos Elementos Finitos, amplamente utilizado na análise de problemas

geotécnicos, faz uso da abordagem lagrangeana. No caso de grandes deformações, pode

ocorrer o problema de emaranhamento de malha (ANDERSEN; ANDERSEN, 2009).

Pela formulação lagrangeana, ao atualizar coordenadas nodais relacionadas com

grandes deformações, ocorre distorção da malha, e a solução aplicada seria criar uma nova

malha para as deformações, mapeando todas as variáveis de estado da malha deformada para

a nova, o que conduz a erros (WIECKOWSKI, 2004).

Foram então desenvolvidos métodos com base na ideia de partículas ou pontos

independentes de uma malha, na tentativa de modelar com maior precisão as análises de

grandes deformações (AUGARDE; HEANEY, 2009).

Ao manipular tais métodos, também conhecidos como livres de malha, define-se um

conjunto de pontos que inclua o domínio de interesse, no qual a conectividade entre os nós é

alterável e a precisão é mais facilmente controlada, visto que para enfatizar determinada

região, pode-se aumentar sua quantidade de pontos e tem-se então uma melhor representação

geométrica do modelo (LI; LIU, 2002).

Uma das vantagens dos métodos livres de malha é que eles são capazes de fornecer

soluções utilizando funções com qualquer ordem de continuidade desejada. Para isso, é

necessária a informação de conectividade dos nós, com o objetivo de determinar cada ponto

do domínio onde os cálculos são realizados. Estes métodos já vêm sendo bastante utilizados

para análise de problemas geotécnicos (AUGARDE; HEANEY, 2009).

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O Método do Ponto Material surgiu com o objetivo de estudar problemas complexos

na dinâmica dos fluidos, em uma análise na qual o fluido seria representado por meio de

pontos materiais se movendo em uma malha fixa, através de uma combinação das abordagens

lagrangeana e euleriana, possibilitando assim grandes distorções (LLANO SERNA, 2012).

A proposta do método é que seja utilizada uma malha euleriana para a representação

do espaço de análise e uma discretização lagrangeana de Pontos Materiais que carreguem as

informações das variáveis de estado, possibilitando assim o rastreio de seus movimentos (LI;

LIU, 2002).

A cada intervalo de tempo, os dados contidos nos pontos materiais são projetados para

a malha de fundo, que serve como uma ferramenta para calcular a interação entre os pontos.

Com a resolução das equações de movimento na malha, assim como feito no MEF, a solução

passa a fazer parte do grupo de informações incluídas nos pontos. Com a atualização das

velocidades e posições dos pontos materiais a cada incremento de tempo, este se desloca em

todo o domínio definido. Quanto mais refinada a discretização, mais precisos os resultados do

modelo, possibilitando a modelagem de comportamentos locais como a separação do material

e rupturas locais (ANDERSEN; ANDERSEN, 2009).

O aspecto "livre de malha" existente no MPM, apesar da utilização de uma malha de

fundo que deve ser gerada e pode ser de diferentes tipos, diz respeito ao fato de que as

informações do sistema e as soluções das equações estão descritas nos pontos materiais,

enquanto a malha de fundo é somente utilizada para realizar os cálculos. Após a discretização,

os cálculos no MPM são estáveis, atingindo bons resultados para grandes deformações,

permitindo a inclusão de propriedades elasto-plásticas, e automaticamente modelando o

contato entre as partículas (NAIRN, 2006).

O Professor John Nairn, do Departamento de Ciência da Madeira e Engenharia da

Universidade Estadual de Oregon, USA, desenvolveu o código aberto conhecido como

NairnMPM que, programado em linguagem C++, realiza análises bi e tridimensionais

explícitas no tempo com cálculo de MPM. Este código permite a simulação de diferentes

materiais no mesmo modelo e a interação destes.

Na geração do modelo geométrico, a entrada de dados é realizada através de um

arquivo em linguagem XML, no qual define-se as características geométricas da discretização

para a malha e para os pontos materiais, assim como as condições iniciais de tensões,

velocidades e carregamentos. Pelo fato de ser um código aberto, é possível fazer modificações

na estrutura interna do programa. O uso do aplicativo NairnFEAMPMViz permite o pós-

processamento dos dados e a visualização dos resultados (LLANO SERNA, 2012).

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A discretização do domínio influencia na solução, visto que em simulações realizadas

por Andersen & Andersen (2010) com diferentes quantidades de pontos materiais, atingiu-se

resultados similares, enquanto aqueles nos quais a quantidade de pontos era maior eram mais

precisos e realistas com relação ao fenômeno local.

Vermeer et al. (2008) mostra que o MPM é um bom método para a modelagem de

rompimentos em taludes. Os cálculos para os deslocamentos de material correspondem bem

aos valores encontrados quando a mesma análise é realizada utilizando-se o MEF, enquanto

as deformações são relativamente pequenas. Já no caso de deformações maiores, o MPM se

mostra superior e obtém resultados mais precisos, prevendo de forma satisfatória a geometria

do talude deformado, ao passo que o MEF encontra problemas causados pela grande distorção

dos elementos. Problemas com empuxo ativo e passivo mostram como as interações do solo

podem ser tratadas com uso do MPM, a partir de modificações na malha, sem dificuldades

para atingir os resultados esperados, graças ao fato de que todas as informações permanentes

do domínio estão armazenadas nos pontos materiais.

Segundo Nairn (2006), a discretização de estruturas realistas pode ser feita de maneira

simples através da utilização do MPM. Este processo pode ser visto analogamente a

digitalização de uma imagem para pixels. Além disso, o MPM automaticamente lida com o

contato entre partículas, possibilitando trabalhar com altas tensões ou adensamento sem

complicações numéricas. Ainda, o MPM é capaz de tratar modelos realísticos de materiais

com grandes deformações e realizar cálculos complexos.

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2.2 Deslizamento de Encostas

Os solos, por serem materiais granulares heterogêneos complexos compostos de três

fases (a sólida, a líquida e a gasosa), não serem corpos contínuos na escala microscópica e sim

compostos de partículas discretas com interações complexas, apresentam propriedades de

fluidos e de sólidos (LLANO SERNA, 2012). Tal fato torna dificultada a análise de

problemas de escorregamento de solos utilizando-se o método dos elementos finitos, devido

às grandes deformações ocorridas nestes casos.

Para modelar o comportamento do solo durante um deslizamento, é necessário um

método computacional que seja capaz de lidar com problemas dinâmicos envolvendo grandes

deformações. Modelar a interação entre diferentes corpos causa problemas quando estes

compartilham de um mesmo nó dentro do domínio. Se duas partículas estão em contato, sua

tendência na modelagem é de permanecerem juntas em vez de se separarem após o evento.

Um algoritmo que permita que as partículas se desloquem umas em relação às outras é

necessário na análise de deslizamentos de encostas e na modelagem de superfícies em atrito

com separação de material, onde uma parcela do solo deixa de fazer parte do maciço e se

move relativamente ao solo remanescente (ANDERSEN; ANDERSEN, 2010).

O movimento de massas é um processo geomorfológico natural, responsável pela

evolução do relevo principalmente nas regiões montanhosas, reorganizando os materiais ao

longo das encostas. Quando se dá em áreas ocupadas causa grandes transtornos, como o

ocorrido no foco do presente estudo.

Estes movimentos de solo estão interligados a fatores como estrutura geológica,

características dos materiais, morfologia do terreno, cobertura vegetal e forma de uso da terra.

O plano de ruptura no qual geralmente se dá o deslocamento da massa de solo está

relacionado a descontinuidades mecânicas e hidráulicas, preferencialmente no contato do solo

com a rocha (DIAS; HERRMANN, 2002).

A estrutura geológica abrange falhas, fraturas, bandamentos e foliações, que

condicionam o surgimento de descontinuidades mecânicas e hidráulicas. As características

dos materiais consistem na granulometria, porosidade, permeabilidade, resistência ao

cisalhamento e estabilidade. A morfologia do terreno é constituída de sua declividade e a

forma das encostas. As formas de uso da terra em áreas ocupadas contribuem na ocorrência de

tais eventos, pois a retirada da vegetação facilita a saturação do solo durante chuvas intensas,

e o aumento excessivo da poropressão causa a ruptura do maciço (DIAS; HERRMANN,

2002).

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A combinação destes fatores é decisiva na deflagração dos movimentos, assim como

os fatores externos responsáveis por acentuar as condições extremas que levam à perda da

estabilidade, seja pelo aumento dos esforços atuantes ou pela diminuição da resistência do

material que compõe o talude, ou ainda, uma combinação de ambos.

A declividade é um fator que favorece o rápido deslocamento de encostas pelo efeito

da gravidade, mas nem sempre é nas regiões mais íngremes onde ocorre o maior número de

movimentos, visto que, normalmente, estes locais se constituem de afloramentos rochosos

desprovidos de cobertura superficial.

Um talude é uma superfície inclinada que limita um maciço de terra, rocha, ou terra e

rocha. De acordo com a norma NBR11682/1991, um talude pode ser artificial quando é

modificado pela ação do homem ou natural quando é formado puramente por ação da

natureza. Do ponto de vista geotécnico, o talude é uma massa de solo submetida a três

conjuntos de forças principais, sendo elas as devidas ao peso, as devidas ao escoamento da

água e as devidas a sua resistência ao cisalhamento. Quando existe equilíbrio entre estas

forças, pode-se dizer que o talude é estável (OLIVEIRA, 2006).

Todas estas forças atuam de forma a criar tensões no maciço, que geram deformações

e podem ser estudadas segundo vários métodos já consagrados na literatura. O

comportamento tensão-deformação dos solos é não-linear e dependente de sua história de

tensões e da tensão confinante. O método de Coulomb, um dos métodos clássicos utilizados

na análise geotécnica de taludes, fornece uma teoria que permite calcular empuxos ativos e

passivos tendo como base alguns parâmetros simples de resistência ao cisalhamento: coesão,

ângulo de atrito interno e peso específico (OLIVEIRA, 2006).

A estabilidade depende do ângulo sob o qual o talude é submetido à influencia de

diferentes pressões, percolação de água, adensamento ou deformações devidas ao

cisalhamento e, sob estas condições, se mantém em equilíbrio. Para que isto aconteça, em

todos os pontos do maciço, as tensões de cisalhamento devem se igualar as resistências ao

cisalhamento. A resistência ao cisalhamento do solo é função do atrito e da coesão do

material (OLIVEIRA, 2006).

Para o cálculo da estabilidade de um talude, os parâmetros de resistência do solo

necessários são o ângulo de atrito interno e a coesão, que podem ser obtidos por meio de

ensaios de campo, ensaios de laboratório e correlações teóricas e empíricas. Também

necessário ao cálculo, o peso da cunha deslizante é decomposto na massa específica do

material, a inclinação do talude e sua altura (OLIVEIRA, 2006).

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No local do acidente analisado neste estudo, foi utilizada a técnica de Solo Grampeado

com o objetivo de estabilizar o talude. Esta técnica consiste na introdução de grampos, que

são barras metálicas, revestidas ou não, que funcionam como um reforço por serem elementos

resistentes a flexão composta. Os grampos são instalados horizontalmente ou sub-

horizontalmente, para que resistam aos esforços de tração e cisalhamento, obtendo melhor

desempenho ao atravessar o plano de escorregamento. O método executivo consiste

inicialmente na perfuração do maciço, e então é realizada a introdução da barra metálica no

furo. Em seguida, o furo é preenchido com nata de cimento. A face do talude pode ser

protegida com concreto jateado, e o os grampos não são protendidos, respondendo às

solicitações apenas quando ocorrem pequenos deslocamentos no maciço (DYMINSKI).

Pelo critério de Mohr-Coulomb, a tensão de ruptura é expressa pela envoltória de

Coulomb e as tensões atuantes no solo são representadas pelo círculo de Mohr. Desenha-se os

círculos correspondentes às tensões atuantes no solo no momento da ruptura, e então traça-se

a envoltória os tangenciando. Quando a tensão de cisalhamento atuante no solo ultrapassa a

resistente, ocorre a ruptura. Para utilizar este método, deve-se identificar o valor da

componente tangencial no plano de ruptura, que corresponde à resistência interna do solo ao

cisalhamento (ORTIGÃO, 2007).

Figura 3 - Obtenção da envoltória de resistência de Mohr-Coulomb tangente aos círculos de Mohr na ruptura

Fonte: Ortigão (2007)

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Após a obtenção da envoltória de resistência do solo, pode-se comparar as tensões

atuantes com as tensões de ruptura, levando-se em conta que valores de tensões que se

encontrarem na região dentro da envoltória representam estados de tensão antes da ruptura, e

aqueles que se encontrarem na região acima da envoltória não são valores possíveis, visto que

o material já terá se rompido (ORTIGÃO, 2007).

A envoltória de Mohr-Coulomb pode ser representada pela equação:

� = � + �′ tan � (1)

Onde τ é a tensão cisalhante e σ' a tensão normal efetiva no plano de ruptura, no momento da ruptura; c é a coesão efetiva, ponto de intercepto da envoltória no eixo das ordenadas; e φ é o ângulo de atrito efetivo, que representa o ângulo de inclinação da envoltória.

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3 METODOLOGIA

3.1 Funções de Forma

Durante a modelagem com o método do ponto material, muitas etapas envolvem a

extrapolação de informações das partículas para a malha, e da malha para as partículas. Tais

extrapolações são controladas através de equações conhecidas como Funções de Forma. Os

diferentes métodos de MPM avaliam de várias maneiras as Funções de Forma. Na descrição

mais generalizada do MPM, chamada GIMP (General Interpolation Material Point) para

interpolação geral de pontos materiais, a Função de Forma (Sip) e o Gradiente da Função de

Forma (Gip) para o nó (i) e a partícula (p) são:

� � =� ����������������

� ���������� (2)

� � =� ��������∇��������

� ���������� (3)

Onde Ωp é o domínio da partícula p; χp(x) é a função característica da partícula para a

partícula p; e Ni(x) é a função de forma da malha para o nó i.

Os diversos métodos de MPM dependem da técnica utilizada para avaliar as integrais

destas funções de forma, sendo todos descendentes do GIMP. O MPM clássico utiliza

Funções Delta de Dirac no método GIMP. Se χp(x) = δ(x), as funções de forma são reduzidas

à função de forma da malha, retomando ao MPM clássico.

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3.2 Atualizações de tensões e deformações

São quatro as tarefas básicas a cada intervalo de tempo no cálculo de MPM:

• Extrapolação dos parâmetros de massa e momento da partícula para a malha;

• Cálculo dos esforços internos e externos;

• Atualização dos parâmetros de momento na malha utilizando os valores dos

esforços;

• Atualização dos parâmetros de posição e velocidade da partícula utilizando as

informações atualizadas da malha.

Para modelar corretamente os esforços internos, esta sequência precisa rastrear as

tensões e deformações nas partículas. Este rastreio é feito a partir do cálculo das velocidades

na malha, possibilitando obter os gradientes de velocidade na partícula, o que é suficiente para

atualizar os valores de tensões e deformações das partículas através de leis constitutivas.

Figura 4 - Ciclo computacional do MPM: (a) Um conjunto de pontos materiais representando o

material, sobre a malha de fundo. Propriedades dos materiais, modelos constitutivos e outras informações de

estado estão armazenados somente nos pontos materiais. A informação é transferida para os nós da malha de

fundo, para os cálculos computacionais. (b) As equações de movimento são resolvidas na malha de fundo,

utilizando o MEF lagrangeano atualizado. (c) O estado dos pontos materiais é atualizado, e a malha de fundo é

resetada.

Fonte: Wang, Hicks and Vardon (2016)

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25

3.3 Intervalo de tempo

Para a convergência na mecânica computacional explícita, a condição CFL (Courant-

Friedrichs-Lewy) deve ser cumprida. Esta condição exige que o intervalo de tempo Δt deve

satisfazer a:

∆� ≤∆

! (4)

Onde Δx é a menor dimensão das células da malha de fundo e v é a máxima velocidade

de onda no material.

Com o objetivo de obter melhores resultados, este valor é minorado por uma constante

menor que um. A constante utilizada é chamada de Número de Courant:

" =!∆#

∆� (5)

∆� = "∆

! (6)

O valor de C deve ser menor que 1,0. O valor padrão utilizado no NairnMPM é C =

0,5.

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26

4 SIMULAÇÃO

4.1 Descrição do problema

Com o objetivo de realizar a modelagem computacional de um deslizamento de talude

utilizando-se o Método do Ponto Material, tomou-se como foco do estudo um escorregamento

de solo ocorrido no bairro de Jardinlândia, distrito de Conselheiro Paulino, em Nova Friburgo.

No dia 11 de janeiro de 2011, uma forte precipitação atingiu a cidade, sendo

registrados volumes de chuva equivalentes ao da precipitação média mensal em menos de dez

horas. Segundo o Instituto Estadual do Ambiente (Inea), durante o período de 24 horas, a

precipitação totalizou 249mm, mais do que o esperado para o todo o mês de janeiro, que seria

de 227mm de chuva. O tempo de recorrência para uma chuva como esta é de 350 anos.

Como base de referência para os dados locais e a análise do evento, foi utilizado o

relatório do projeto executivo e memórias de cálculo de dimensionamento para as obras de

estabilização e estruturas de contenção para o conjunto de escorregamentos, elaborado pela

Muniz & Spada Engenheiros Consultores.

A caracterização geológico-geotécnica do solo da região indica que a encosta é

formada por uma camada de colúvio argilo-siltoso sobre solo residual silto-arenoso, com

rochas granito-gnáissicas pouco micáceas de coloração cinza. Não existem indícios de

condicionantes geológicas deflagrantes destes eventos, mas a porosidade do solo contribuiu

para a absorção de água com o conseqüente aumento da massa instável.

Figura 5 - Blocos de rocha na meia encosta

Fonte: Muniz & Spada (2015)

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27

A inclinação da encosta é de cerca de 30º. As medidas de contenção e estabilização

foram tomadas para evitar que ocorram novos incidentes, visto que a movimentação no

terreno formou trincas de tração no solo no topo do morro, alguns metros acima das cicatrizes

de escorregamento. A solução adotada neste caso foi a técnica de solo grampeado.

Figura 6 - Trincas no terreno

Fonte: Muniz & Spada (2015)

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28

4.2 Geometria e propriedades do solo

O perfil do talude considerado no estudo e utilizado na modelagem computacional

com MPM está representado na figura a seguir:

Figura 7 - Seção geológico-geotécnica analisada

Fonte: Muniz & Spada (2015)

Os parâmetros do solo considerados na modelagem estão descritos na tabela a seguir:

Tabela 1 - Parâmetros do solo utilizados na análise

Coesão (kPa) 10

Peso específico (kN/m³) 19

Módulo de elasticidade (Mpa) 5

Coeficiente de Poisson 0.4

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29

4.3 Modelagem

Para a modelagem computacional do deslizamento do talude, foi utilizado o código

NairnMPM, desenvolvido pelo Professor John Nairn. Inicialmente, foi definido o método de

análise, assim como o tempo de demonstração dos resultados.

Todos os parâmetros de cálculo foram descritos de acordo com os dados fornecidos

neste item, e então foram indicados os materiais "Solo" e "Rocha", cada qual com suas

respectivas propriedades. Foi criada a malha de fundo e as regiões definidas pelos pontos

materiais, que foram descritas a partir das coordenadas dos perfis de solo e rocha constituintes

da seção estudada, e então descritas suas condições iniciais de resistência.

Após finalizado, o código completo foi inserido no aplicativo NairnFEAMPMViz, que

realizou o processamento dos dados e os cálculos em MPM, permitindo a posterior

visualização dos resultados, que serão demonstrados à seguir.

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30

4.4 Resultados

Foram realizadas diversas simulações com o objetivo de encontrar o valor crítico de

coesão do solo para o qual ocorre a deflagração do movimento de massa do talude. Este valor

é em torno de 60kPa.

Após o processamento dos dados, a realização dos cálculos em MPM e a modelagem

do deslizamento do talude, os seguintes resultados foram obtidos na análise:

Quadro 1 - Resultados da Simulação

MATERIAIS VELOCIDADES

t=0s

t=0s

t=20s

t=20s

t=40s

t=40s

t=60s

t=60s

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31

Quadro 2- Resultados da Simulação

DESLOCAMENTOS TENSÕES

t=0s

t=0s

t=20s

t=20s

t=40s

t=40s

t=60s

t=60s

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32

5 CONCLUSÕES

A partir dos estudos bibliográficos realizados e da análise do método, pode-se concluir

que o Método do Ponto Material é promissor para análises geotécnicas de deslizamentos de

encostas. Por permitir trabalhar com diferentes materiais, definir regiões de contato entre eles,

e ser capaz de lidar com problemas de grandes deformações, o MPM leva a resultados

confiáveis quando da realização desde tipo de estudo.

Por ainda ser um método relativamente novo, o NairnMPM ainda não dispõe de um

modelo constitutivo para a descrição de solos arenosos, com ângulo de atrito não nulo. Além

disso, o MPM não possui tanto espaço no mercado como outros métodos já consagrados, a

exemplo do método dos elementos finitos. No entanto, pelo grande número de trabalhos

atestando sua eficiência e confiabilidade, a tendência é que sua utilização no meio geotécnico

cresça e se consolide, principalmente após o lançamento de softwares que estão sendo

desenvolvidos para cálculos com MPM.

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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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APÊNDICE A

Código de entrada de dados para o programa NairnMPM.

! ********** PreambleSection **********

Title "Deslizamento de Encosta"

Name "Paula Pimentel"

! Header

Header

Simulacao 2D de um deslizamento de talude

EndHeader

! ********** ParametersSection **********

#cell=2000 ! cellsize (squarecells em mm)

#width=240000 ! semi grid size x direction (mm)

#height=110000 ! semi grid size y direction (mm)

#thickness=100 ! Thickness (mm)

#E=5 ! modulo de elasticidade (MPa)

#nu=0.4 ! coeficiente de Poisson

#rho=1.9368 ! massa específica (g/cm3)

#su=0.010 ! coesao do solo (MPa)

#t_simula=60000 ! tempo de simulacao, apos aplicac ao da gravidade (ms)

#t_grav=5000 ! tempo de aplicacao da forca peso ( ms)

#dt_reg=1000 ! intervalo de tempo entre registro de resultaos (ms)

#courant=0.5 ! coeficiente de Courant

#procs=3 ! numero de nucleos do computador

#damp_simula=1 ! coeficiente de amortecimento dura nte a simulacao (1/ms)

#damp_grav=10 ! coeficiente de amortecimento dura nte a aplicacao da gravidade (1/ms)

#grav=9800 ! aceleracao gravidacional (mm/s2)

! Calculos preliminares

#tmax=#t_grav+#t_simula

! Method

Analysis "Plane Strain MPM"

MPMMethod USAVG,GIMP

Archive "Deslizamento_Results/USAVG."

ArchiveTime #dt_reg

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36

MaximumTime #tmax

CFLFactor #courant

Processors #procs

Damping #damp_simula

! ********** MaterialsSection **********

Material "Rocha", "Rocha", "Rigid"

Direction 3

Done

Material "Solo", "Solo", "IsoPlasticity"

E #E

nu #nu

rho #rho

Hardening Linear

yield 2*#su

Done

! ********** Grid Section **********

GridHoriz #width/#cell,0,-1,#width

GridVert #height/#cell

GridThickness #thickness

GridRect 0,#width,0,#height

! ********** Material Points Section **********

Region "Rocha", 0, 0, #thickness

PolyPt 0,0

!Curva superior

PolyPt 0, 76200

PolyPt 2900, 76200

PolyPt 5900, 76000

PolyPt 8700, 75800

PolyPt 11500, 75800

PolyPt 13600, 75600

PolyPt 16100, 75200

PolyPt 17700, 75200

PolyPt 21700, 75000

PolyPt 24000, 75000

PolyPt 27400, 74800

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37

PolyPt 29800, 74800

PolyPt 33200, 74600

PolyPt 35800, 74400

PolyPt 37400, 74600

PolyPt 39700, 74600

PolyPt 42700, 74600

PolyPt 46400, 74600

PolyPt 49200, 74200

PolyPt 51300, 74000

PolyPt 53300, 73300

PolyPt 55900, 72700

PolyPt 58200, 72100

PolyPt 60500, 71100

PolyPt 62800, 70400

PolyPt 64900, 70600

PolyPt 66700, 69800

PolyPt 67900, 69600

PolyPt 69700, 68600

PolyPt 71400, 68400

PolyPt 73200, 67900

PolyPt 74100, 67300

PolyPt 76200, 66700

PolyPt 77600, 66100

PolyPt 79200, 65500

PolyPt 80600, 65500

PolyPt 82700, 65200

PolyPt 84100, 64800

PolyPt 85900, 64600

PolyPt 87100, 64000

PolyPt 89100, 63000

PolyPt 91000, 61900

PolyPt 92100, 60100

PolyPt 93100, 58800

PolyPt 94700, 56500

PolyPt 95600, 55700

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38

PolyPt 96500, 54400

PolyPt 97700, 53400

PolyPt 98100, 52400

PolyPt 99100, 51700

PolyPt 100900, 50100

PolyPt 102100, 49000

PolyPt 103200, 48000

PolyPt 104100, 47100

PolyPt 105100, 45900

PolyPt 106000, 44900

PolyPt 106900, 44200

PolyPt 108500, 42800

PolyPt 109700, 41300

PolyPt 111500, 40100

PolyPt 112500, 39200

PolyPt 114100, 38400

PolyPt 115500, 37400

PolyPt 118000, 36100

PolyPt 118500, 34900

PolyPt 120300, 34500

PolyPt 121000, 33400

PolyPt 122100, 32600

PolyPt 123300, 32000

PolyPt 125200, 31300

PolyPt 126500, 30300

PolyPt 128200, 29500

PolyPt 129100, 28400

PolyPt 130200, 27600

PolyPt 131600, 26600

PolyPt 133000, 25500

PolyPt 134400, 24100

PolyPt 135800, 23000

PolyPt 136900, 21800

PolyPt 138100, 20700

PolyPt 140400, 19700

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39

PolyPt 142000, 18500

PolyPt 143600, 17200

PolyPt 145200, 16000

PolyPt 146900, 14900

PolyPt 148500, 14300

PolyPt 149900, 13300

PolyPt 151500, 12000

PolyPt 153100, 11400

PolyPt 154700, 10300

PolyPt 155900, 9500

PolyPt 157000, 8500

PolyPt 158600, 7800

PolyPt 159800, 7200

PolyPt 160900, 6600

PolyPt 162600, 5600

PolyPt 163500, 4900

PolyPt 164400, 4300

PolyPt 166000, 3500

PolyPt 167400, 2800

PolyPt 168600, 2000

PolyPt 169900, 1400

PolyPt 240000, 1400

PolyPt 240000, 0

!curva inferior

PolyPt 162600, 0

PolyPt 160900, 1600

PolyPt 159800, 2200

PolyPt 158600, 2800

PolyPt 157000, 3500

PolyPt 155900, 4500

PolyPt 154700, 5300

PolyPt 153100, 6400

PolyPt 151500, 7000

PolyPt 149900, 8300

PolyPt 148500, 9300

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40

PolyPt 146900, 9900

PolyPt 145200, 11000

PolyPt 143600, 12200

PolyPt 142000, 13500

PolyPt 140400, 14700

PolyPt 138100, 15700

PolyPt 136900, 16800

PolyPt 135800, 18000

PolyPt 134400, 19100

PolyPt 133000, 20500

PolyPt 131600, 21600

PolyPt 130200, 22600

PolyPt 129100, 23400

PolyPt 128200, 24500

PolyPt 126500, 25300

PolyPt 125200, 26300

PolyPt 123300, 27000

PolyPt 122100, 27600

PolyPt 121000, 28400

PolyPt 120300, 29500

PolyPt 118500, 29900

PolyPt 118000, 31100

PolyPt 115500, 32400

PolyPt 114100, 33400

PolyPt 112500, 34200

PolyPt 111500, 35100

PolyPt 109700, 36300

PolyPt 108500, 37800

PolyPt 106900, 39200

PolyPt 106000, 39900

PolyPt 105100, 40900

PolyPt 104100, 42100

PolyPt 103200, 43000

PolyPt 102100, 44000

PolyPt 100900, 45100

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41

PolyPt 99100, 46700

PolyPt 98100, 47400

PolyPt 97700, 48400

PolyPt 96500, 49400

PolyPt 95600, 50700

PolyPt 94700, 51500

PolyPt 93100, 53800

PolyPt 92100, 55100

PolyPt 91000, 56900

PolyPt 89100, 58000

PolyPt 87100, 59000

PolyPt 85900, 59600

PolyPt 84100, 59800

PolyPt 82700, 60200

PolyPt 80600, 60500

PolyPt 79200, 60500

PolyPt 77600, 61100

PolyPt 76200, 61700

PolyPt 74100, 62300

PolyPt 73200, 62900

PolyPt 71400, 63400

PolyPt 69700, 63600

PolyPt 67900, 64600

PolyPt 66700, 64800

PolyPt 64900, 65600

PolyPt 62800, 65400

PolyPt 60500, 66100

PolyPt 58200, 67100

PolyPt 55900, 67700

PolyPt 53300, 68300

PolyPt 51300, 69000

PolyPt 49200, 69200

PolyPt 46400, 69600

PolyPt 42700, 69600

PolyPt 39700, 69600

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42

PolyPt 37400, 69600

PolyPt 35800, 69400

PolyPt 33200, 69600

PolyPt 29800, 69800

PolyPt 27400, 69800

PolyPt 24000, 70000

PolyPt 21700, 70000

PolyPt 17700, 70200

PolyPt 16100, 70200

PolyPt 13600, 70600

PolyPt 11500, 70800

PolyPt 8700, 70800

PolyPt 5900, 71000

PolyPt 2900, 71200

PolyPt 0, 71200

PolyPt

EndRegion

Region "Solo", 0, 0, #thickness

!curva superior

PolyPt 0, 101000

PolyPt 5400, 101000

PolyPt 11400, 100800

PolyPt 18000, 100800

PolyPt 25500, 100600

PolyPt 32300, 99800

PolyPt 38400, 98400

PolyPt 43500, 95900

PolyPt 49400, 93000

PolyPt 54800, 89900

PolyPt 59500, 86000

PolyPt 62500, 83500

PolyPt 66500, 80200

PolyPt 71200, 76000

PolyPt 75600, 72500

PolyPt 80100, 69000

Page 43: UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE ... THULER...RESUMO Deslizamentos de encostas são fenômenos recorrentes em diversas regiões do planeta e causam enormes transtornos, prejuízos materiais

43

PolyPt 85200, 65900

PolyPt 89700, 62400

PolyPt 94600, 59100

PolyPt 100000, 55300

PolyPt 104600, 52200

PolyPt 110000, 49600

PolyPt 115400, 46900

PolyPt 120600, 44200

PolyPt 126400, 41700

PolyPt 132300, 38800

PolyPt 138100, 36300

PolyPt 144000, 33600

PolyPt 150100, 31400

PolyPt 155400, 29300

PolyPt 160600, 27900

PolyPt 166200, 27000

PolyPt 170900, 26600

PolyPt 176300, 26000

PolyPt 180800, 25200

PolyPt 185000, 24800

PolyPt 189200, 24200

PolyPt 192700, 23400

PolyPt 196000, 23200

PolyPt 200700, 22700

PolyPt 208400, 22300

PolyPt 217300, 22200

PolyPt 223900, 21800

PolyPt 229700, 22200

PolyPt 239800, 22400

PolyPt 240000, 16000

PolyPt 240000, 1400

!curva inferior

PolyPt 170400, 1400

PolyPt 169900, 1400

PolyPt 168600, 2000

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44

PolyPt 167400, 2800

PolyPt 166000, 3500

PolyPt 164400, 4300

PolyPt 163500, 4900

PolyPt 162600, 5600

PolyPt 160900, 6600

PolyPt 159800, 7200

PolyPt 158600, 7800

PolyPt 157000, 8500

PolyPt 155900, 9500

PolyPt 154700, 10300

PolyPt 153100, 11400

PolyPt 151500, 12000

PolyPt 149900, 13300

PolyPt 148500, 14300

PolyPt 146900, 14900

PolyPt 145200, 16000

PolyPt 143600, 17200

PolyPt 142000, 18500

PolyPt 140400, 19700

PolyPt 138100, 20700

PolyPt 136900, 21800

PolyPt 135800, 23000

PolyPt 134400, 24100

PolyPt 133000, 25500

PolyPt 131600, 26600

PolyPt 130200, 27600

PolyPt 129100, 28400

PolyPt 128200, 29500

PolyPt 126500, 30300

PolyPt 125200, 31300

PolyPt 123300, 32000

PolyPt 122100, 32600

PolyPt 121000, 33400

PolyPt 120300, 34500

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45

PolyPt 118500, 34900

PolyPt 118000, 36100

PolyPt 115500, 37400

PolyPt 114100, 38400

PolyPt 112500, 39200

PolyPt 111500, 40100

PolyPt 109700, 41300

PolyPt 108500, 42800

PolyPt 106900, 44200

PolyPt 106000, 44900

PolyPt 105100, 45900

PolyPt 104100, 47100

PolyPt 103200, 48000

PolyPt 102100, 49000

PolyPt 100900, 50100

PolyPt 99100, 51700

PolyPt 98100, 52400

PolyPt 97700, 53400

PolyPt 96500, 54400

PolyPt 95600, 55700

PolyPt 94700, 56500

PolyPt 93100, 58800

PolyPt 92100, 60100

PolyPt 91000, 61900

PolyPt 89100, 63000

PolyPt 87100, 64000

PolyPt 85900, 64600

PolyPt 84100, 64800

PolyPt 82700, 65200

PolyPt 80600, 65500

PolyPt 79200, 65500

PolyPt 77600, 66100

PolyPt 76200, 66700

PolyPt 74100, 67300

PolyPt 73200, 67900

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46

PolyPt 71400, 68400

PolyPt 69700, 68600

PolyPt 67900, 69600

PolyPt 66700, 69800

PolyPt 64900, 70600

PolyPt 62800, 70400

PolyPt 60500, 71100

PolyPt 58200, 72100

PolyPt 55900, 72700

PolyPt 53300, 73300

PolyPt 51300, 74000

PolyPt 49200, 74200

PolyPt 46400, 74600

PolyPt 42700, 74600

PolyPt 39700, 74600

PolyPt 37400, 74600

PolyPt 35800, 74400

PolyPt 33200, 74600

PolyPt 29800, 74800

PolyPt 27400, 74800

PolyPt 24000, 75000

PolyPt 21700, 75000

PolyPt 17700, 75200

PolyPt 16100, 75200

PolyPt 13600, 75600

PolyPt 11500, 75800

PolyPt 8700, 75800

PolyPt 5900, 76000

PolyPt 2900, 76200

PolyPt 0, 76200

PolyPt

EndRegion

! ******* Gravidade *********

Gravity "0.0", "-(t/"&#t_grav&"*"&#grav&"-sign(t-"&#t_grav&")*(t/"&#t_grav&"*"&#grav&"-"&#grav&"))", "0.0"